LNGC改造FSRU結構改造可行性分析

劉劍楠，夏華波，蘭慶世，韋曉強，吳昊

(中海油能源發展股份有限公司 采油服務分公司，天津 300452)

FSRU是浮式液化天然氣儲存再氣化裝置，FSRU由于建設速度快、投資低、環境友好等特點而倍受青睞。隨著清潔能源市場的蓬勃發展，市場對FSRU的需求穩步提升。LNG船改造為FSRU，由于船舶作業工況和環境條件的變化，對改造后的FSRU的船體結構提出了新的要求。能否在原LNG船船體結構的基礎上，通過適當的改造，滿足FSRU的作業要求，需要在船體總縱強度、局部結構強度和系泊設備結構強度等技術方面進行分析論證。本文以某薄膜型LNG運輸船為例，對改造FSRU從船體結構方面進行分析，為相關項目的前期研究和工程的建造提供參考。

1 改造方案

改造目標LNG運輸船的主要參數見表1。

表1 改造目標LNG運輸船主要參數

該LNG運輸船采用蒸汽輪機驅動推進方式，動力系統設備主要有主鍋爐、主透平、透平發電機、柴油發電機、應急發電機；液貨系統有4個薄膜型LNG液貨艙、泵塔、主液貨泵、掃艙噴淋泵、應急液貨泵、揮發氣回氣壓縮機、燃氣壓縮機等。

根據ABS“液化天然氣再氣化船入級與建造指南”，對于營運的常規LNG船通過加裝再氣化裝置改造為FSRU，只需滿足ABS的LNG船入級與建造規范及IGC Code之相關規定，并重點關注系統與布置的設計，使再氣化裝置得以安全運作。主要改造內容是在艏部增加再氣化模塊，舯部增加壓縮機室和艉部增加電站模塊。見圖1。

船體改造評估主要包括再氣化裝置、護舷、系泊等增加的設備對船體結構的影響，以及規范中防撞要求對船體改造的影響。以ABS船級社“液化天然氣再氣化船入級與建造指南”為指導，擬針對以下主要結構改造項目分別進行技術評估：主船體結構強度校核評估[1]；再氣化模塊支撐結構加強；護舷結構加強設計方案；新增系泊設備結構加強方案；液貨艙晃蕩分析。

2 主船體結構強度校核評估

改造FSRU主要為靠岸氣化工況，使用航行工況較少，原則上應該使用實際波浪載荷計算結果和規范法計算對比，采用數值較大的作為結構計算輸入。FSRU靠岸工況作業環境條件溫和，遠不及作為航行工況的北大西洋環境惡劣，故船體結構采用規范法進行計算校核。

2.1 船體梁載荷

根據原有LNG船數據資料，本船改裝前船體(船中區域)梁載荷計算如下。沿船長各橫剖面的中拱波浪彎矩Mw(+)和中垂波浪彎矩Mw(-)應按下列各式計算：

Mw(+)=+190FMCL2BCb×10-3

Mw(-)=-110FMCL2B(Cb+0.7)×10-3

(1)

式中：FM為彎矩分布系數；Cb為方形系數；L為船長；B為船寬。

計算結果見表2。

表2 改裝前航行狀態LNG船船體梁載荷 kN·m

本船改裝主要的工作為在艏部增加再氣化模塊和在艉部增加電站模塊。主要結構件未作改動，只有局部艙室，如機艙、艏部柴油艙等進行改造和局部加強。改裝后要求具備自航能力，且為無限航區。根據新增的模塊重量載荷分布以及初步裝載手冊，改裝后船體梁航行狀態載荷計算方法同上，具體計算結果見表3、4。根據ABS船級社的《浮式海工液化氣體終端入級與建造指南》，系泊狀態波浪彎矩的取值不小于無限航區海況下波浪彎矩值的85%。

表3 改裝后航行狀態FSRU船體梁載荷 kN·m

表4 系泊狀態LNG船船體梁載荷 kN·m

2.2 船體梁總縱強度評估

按照ABS船級社“液化天然氣再氣化船入級與建造指南”規范規定，在甲板處和龍骨處的船中最小剖面模數W0應不小于按下式計算所得之值:

W0=n1CL2B(Cb+0.7)k×10-6

(2)

式中：n1為航行系數；k為材料系數；Cb為方形系數；L為船長；B為船寬。

規范規定的船中剖面對水平中和軸的慣性矩I應不小于按下式計算所得之值。

(3)

(4)

(5)

其中：Wd為甲板處的剖面模數；Wb為龍骨處的剖面模數；船體梁的許用彎曲應力[σ]按下述規范要求確定。

[σ]=175/kMPa，船中0.4L區域；

[σ]=125/kMPa，船端0.1L區域。

其余區域用線性內插法求得，其中k為材料系數。

本FSRU船中區域的甲板和底部區域主要采用普通鋼，因而其材料系數k=1，可以得到其許用應力為[σ]=175/k=175 MPa。

(6)

根據初步裝載手冊，通過包絡方法可以得到船中最大的中拱和中垂靜水彎矩值，考慮一定設計裕量，得出其實際的設計彎矩，并與規范允許值進行比較。

(7)

剖面的設計彎矩值小于規范允許值，則其彎曲強度校核滿足規范要求。

改裝為FSRU總縱強度評估結果見表5。船體梁各個位置實際剖面系數據來源于ABS規范計算軟件。

表5 FSRU船體梁總縱強度評估結果

本船改造為FSRU后，經初步評估，系泊狀態和航行狀態船體梁總縱強度滿足要求。GTT內甲板應力壓載工況滿足要求，考慮到GTT的應力限制120 MPa是基于殷瓦鋼疲勞緣故，且改裝后FSRU部分時段服役于碼頭，GTT內甲板應力可以接受。

2.3 晃蕩分析

FSRU作為連接陸地天然氣用戶和LNG運輸船的中轉站，是常年漂浮在固定海域的海上存儲終端。由于FSRU長期漂浮在近海上經受波浪沖擊，使得液貨艙內的LNG不斷晃動，一旦其運動的固有周期接近船體運用固有周期時，將出現液貨艙晃蕩共振，對LNG貨艙造成較大破壞，嚴重威脅FSRU的安全和可靠性。其次，根據FSRU操作工況，FSRU的貨艙無裝載液位限制，因此需對FSRU液貨艙晃蕩進行專項分析研究，并通過液貨艙晃蕩試驗進行驗證[2]。

根據ABS船級社“浮式海工液化氣體終端入級與建造指南”的要求，通常需要對圍護系統、泵站、船體結構等進行晃蕩計算[3]。采用Safe-LNG規范計算軟件對LNG船在不限液位的工況下進行了液艙晃蕩計算，計算結果顯示本船液貨艙縱向艙壁板基本都能滿足晃蕩壓力要求。液艙晃蕩分析模型見圖2。

圖2 液艙晃蕩分析模型

本船系泊狀態，船體運動顯著小于無限航區。根據與ABS船級社進行的技術咨詢，FSRU模式下環境參數β值可取為無限航區的85%，初步評估全船液艙構件的尺寸將滿足晃蕩壓力的要求。

3 再氣化模塊支撐結構加強

14.7萬m3LNG船改造為FSRU，需要在艏部安裝再氣化裝置。根據總布置設計，再氣化裝置將安裝在第一貨艙穹頂甲板上，分為左中右3個模塊布置在第一貨艙靠前的位置，通過模塊支撐座與主船體結構連接，見圖3。

圖3 再氣化裝置模塊布置示意

固定左右2個在氣化裝置的是由再氣化裝置廠家設計的梁架，梁架通過支撐座與船體結構相連，并焊接牢固。一個模塊下面分別對應4個支撐座，支撐座盡可能布置在船體強框架和甲板縱骨相交的位置處。圖4為支撐座示意，支撐座端部支撐肘板的圓弧大小根據計算結果進行設計，以確保支撐座的強度滿足船級社要求[4-5]。

圖4 再氣化裝置模塊支撐座示意

基于局部有限元強度分析，船體結構與支撐座相連的部分有局部構件的，其形式和尺寸需重新設計并作校核。在改造過程中，以重新設計的結構替換原船體對應的結構。

4 護舷結構加強設計方案

4.1 靠泊對舷側結構影響的比較

作為FSRU，其靠泊的碼頭一般為jetty形式，jetty型的靠泊墊相對靠近海面，作用于船體的位置也相應在水線附近。相比而言，常規碼頭的靠泊墊位置較高，通常在基線15.5 m到22.6 m的位置，甚至有更高的可以作用到舷頂列板上。作為常規性LNG船，14.7萬m3LNG船的設計已經滿足停靠常規LNG港口碼頭的能力[6]。

由于水線附近舷側外板及其上縱骨的尺寸相對于靠近舷頂位置的舷側構件尺寸要大，因此考慮到14.7萬m3LNG船的舷側結構在靠泊常規港口碼頭時其結構強度已經足夠，那么當靠泊jetty型碼頭時因為對應構件尺寸更大，其舷側結構的強度也應足夠、更有所富余。

4.2 FSRU靠泊載荷分析方法

相比于常規的LNG船，FSRU靠泊形式更加多樣。它既可以單獨停靠在jetty型岸站，也可以一邊停靠在jetty型岸站、而另一邊則停靠一艘常規LNG運輸船。由于系泊纜繩等設備有極限破斷載荷限制，其并非能在所有海況下均如此停靠。FSRU的靠泊會由海況限制，當海況很惡劣時，其必須與旁靠的LNG運輸船脫開。甚至在更加惡劣的海況下，FSRU也必須與jetty岸站脫離。

根據系泊系統的設計及相應海況的限制條件，運用流體力學和結構動力學計算FSRU單靠jetty型岸站時的靠泊墊的最大反作用力和FSRU旁靠LNG船并于jetty岸站相靠時的岸站和船間靠泊墊的最大反作用力。不同靠泊形式的系泊分析模型見圖5。

圖5 FSRU靠泊jetty岸站系泊分析模型示意

4.3 護舷結構強度分析方法

將FSRU靠泊載荷分析的結果與岸站靠泊墊設計載荷作對比分析，選取合理的載荷和作用在船體的范圍[7]。運用結構有限元方法，建立雙舷側外板的局部有限元模型，進行加載計算，見圖6。分析并評估舷側外板和其上縱骨的結構強度。

圖6 舷側結構在靠泊載荷下的強度分析示意

4.4 改為FSRU對護舷結構的影響

14.7萬m3LNG船改為FSRU，岸站靠泊作用在船體上的范圍向下移至水線附近。由于舷側結構越靠近船底，板厚和縱骨尺寸越大，因此原設計的舷側構件強度仍然能夠滿足改為FSRU后的使用要求。

工程實施階段，需對船舶的構件尺寸作測定，明確現有構件的尺寸大小，以及和原設計尺寸的差距，再做具體的計算分析評估。因為原設計尺寸下的強度是有所富余的，所以可能無需對船側結構做額外加強。但若測定得到的構件尺寸腐蝕較大，則需要考慮更換相應構件，或新增結構加強設計等方法。

5 新增系泊設備結構加強方案

5.1 FSRU與LNG運輸船系泊設備的差異

FSRU需長期定點在jetty岸站邊工作運營，當遭遇惡劣海況，FSRU的系泊安全難以保證時，FSRU與其旁靠LNG船，和FSRU與靠泊jetty岸站之間的系泊纜繩，必須迅速解除脫開。常規系泊設備難以完成此類操作，只有快速釋放鉤才能達到迅速釋放纜繩的功能。所以，FSRU本身需配置一定數量的快速釋放鉤設備。

同時，對應所靠泊jetty岸站系纜墩位置等布置條件，要考慮現有船上導纜孔的位置是否滿足纜繩布置要求，并可能做相應調整。根據現有甲板布置情況，盡可能小的做改動，以布置足夠數量的快速釋放鉤和對應匹配的導纜孔設備。

14.7萬m3LNG船改為FSRU的艉部系泊甲板和艏部主甲板的系泊設備布置如圖7所示。同時在FSRU的船體平行段主甲板上也設有快速釋放鉤設備。

圖7 艉部系泊甲板和艏部主甲板的系泊設備布置

5.2 加裝快速釋放鉤與調整導纜孔對船體結構的強度分析

系泊設備的甲板下方對應有局部的加強結構，因此加裝快速釋放鉤和調整導纜孔的位置勢必會影響原有甲板下的船體結構，需設計快速釋放鉤下的加強結構和對應導纜孔位置的加強結構。

對應基座圓環和肘板的位置，在甲板下方需設計延伸支撐結構。同樣的，導纜孔基座在甲板下也需有對應的結構支撐。設計的快速釋放鉤為雙鉤形式，因此快速釋放鉤受到的系泊牽引力約為導纜孔的2倍，水平牽引力較大，基座下甲板的強度也需校核保證。

用局部有限元分析的方法，計算和評估系泊設備載荷作用下船體結構的強度。模型范圍包括新增快速釋放鉤和導纜孔的基座，以及其下對應的船體結構。圖8為尾部甲板和其下支撐加強構件的有限元網格模型示意，圖9為快速釋放鉤和導纜孔的基座的有限元網格模型示意。

圖8 尾部甲板和其下支撐加強構件的有限元網格模型示意

圖9 快速釋放鉤和導纜孔的基座有限元網格模型示意

5.3 新增系泊設備對結構的影響

14.7萬m3LNG船改為FSRU，快速釋放鉤主要用于應急情況下快速釋放系泊纜繩，使LNG船快速駛離。快速釋放鉤除機械機構外，還需帶有纜繩張力監測系統、就地超負荷報警、橋樓張力顯示與遙控釋放系統等配套設施。生產操作運營中可與船岸通訊系統中的環境監測、低速靠泊等系統組成一套完整的系統。根據本項目的總體布置，在靠海的右舷配置10套雙式快速釋放鉤。對應這些設備下方的甲板和其上構件均需重新設計，包括甲板和基座下延伸的加強構件。

由于需與快速釋放鉤匹配使用，因此舷側導纜孔位置有所調整的地方，其下方的結構也需做相應加強設計。

最后通過有限元分析方法，施加系泊設備載荷，對新設計結構的強度進行校核計算，以滿足所入級船級社的規范要求。

6 結論

1)改造后的總縱強度應滿足規范要求。

2)改造后的貨艙段船體結構應力須滿足貨艙供應廠商的要求。

3)貨艙晃蕩分析結果須滿足規范和廠家要求，根據具體計算結果決定是否改動。

4)再氣化模塊的底座應設在原船強力構件處，同時應對支撐處進行結構加強處理。

5)護舷結構應結合結構強度計算結果和具體工程實施階段的腐蝕情況決定。

6)新增系泊設備處需進行相應的局部結構加強。LNG船改造為FSRU，船體結構總體方面不需要較大改動，工作主要集中于船體局部結構加強。

針對LNGC改造FSRU于結構方面的分析，供FSRU相關項目的前期研究和實現FSRU工程化應用參考。